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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung von Codeteilungs-Vielfachzugriff-Spreizspektrum (Code
Division Multiple Access; CDMA) Kommunikationstechniken, die in
zellularen Funktelefon-Kommunikationssystemen verwendet werden, und
insbesondere ein Verfahren für
empfangene Pilotsequenz-Signale an Zellen mit unterschiedlichen Sendeleistungspegeln
in einem CDMA-Kommunikationssystem,
bei dem die Basisstationen auf Grundlage ihrer Sendeleistungspegeln
in getrennte Gruppen unterteilt sind; und bei dem jeder Gruppe von
Basisstationen ein Satz von Frequenzen, um darauf zu senden, zugewiesen
ist, und wobei Basisstationen von unterschiedlichen Gruppen Frequenzen
für eine Verkehrskommunikation
nicht teilen.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
zellulare Telefonindustrie hat in kommerziellen Operationen in den
Vereinigten Staaten sowie in dem Rest der Welt bemerkenswerte Entwicklungen
durchlaufen. Der Zuwachs in großen
Stadtgebieten hat die Erwartungen weit überstiegen und geht an die
Grenzen der Systemkapazität.
Wenn dieser Trend fortdauert werden die Auswirkungen eines schnellen
Wachstums bald sogar die kleinsten Märkte erreichen. Innovative
Lösungen
werden benötigt, um
diese ansteigenden Kapazitätsanfordernisse
zu erfüllen
und einen Dienst mit hoher Qualität aufrechtzuerhalten und das
Ansteigen von Preisen zu vermeiden.
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Überall in
der Welt ist ein wichtiger Schritt in zellularen Systemen ein Wechsel
von analogen auf digitale Übertragungen.
Gleichermaßen
wichtig ist die Wahl eines effektiven digitalen Übertragungsverfahrens zum Implementieren
der nächsten
Generation der Zellulartechnologie. Ferner wird weitläufig angenommen,
dass die erste Generation von Personalkommunikationsnetzen (Personal
Communication Networks; PCN) (die kostengünstige kabellose Telefone in
Taschengröße verwenden,
die komfortabel transportiert und verwendet werden können, um
Anrufe zu Hause, im Büro,
in der Straße,
im Auto, etc. durchzuführen
und zu empfangen) durch die zellularen Träger unter Verwendung der digitalen
Zellularsystem-Infrastruktur und den zellularen Frequenzen der nächsten Generation
bereitgestellt werden würde.
Das Schlüsselmerkmal,
welches in diesem neuen System gefordert wird ist, eine erhöhte Verkehrskapazität.
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Gegenwärtig wird
ein Kanalzugriff unter Verwendung von Frequenzteilungs-Vielfachzugriff
(Frequency Division Multiple Access; FDMA) und Zeitteilungs-Vielfachzugriff
(Time Division Multiple Access; TDMA) Verfahren erreicht. Bei dem
FDMA ist ein Kommunikationskanal ein einzelnes Funkfrequenzband,
in dem die Sendeleistung eines Signals konzentriert ist. Eine Störung mit
benachbarten Kanälen ist
durch die Verwendung von Bandpassfiltern beschränkt, die eine Signalenergie
nur innerhalb des spezifizierten Frequenzbands durchlassen. Da jedem
Kanal eine andere Frequenz zugewiesen ist, ist somit die Systemkapazität durch
die verfügbaren Frequenzen
sowie durch die Beschränkungen,
die durch Kanal-Funkstationen auferlegt werden, begrenzt.
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In
TDMA-Systemen besteht ein Kanal aus einem Zeitschlitz in einer Periodenfolge
von Zeitintervallen über
der gleichen Frequenz. Jede Periode von Zeitschlitzen wird als ein
Rahmen bezeichnet. Die Energie eines gegebenen Signals ist auf einen
von diesen Zeitschlitzen beschränkt.
Eine Störung
von benachbarten Kanälen
wird durch die Verwendung eines Zeitgatters oder eines anderen Synchronisationselements,
welches nur Signalenergie, die zu der richtigen Zeit empfangen wird,
weitergibt, beschränkt.
Somit wird der Teil der Störung
von unterschiedlichen relativen Signalstärkepegeln verringert.
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Eine
Kapazität
in einem TDMA-System wird durch Komprimieren des Übertragungssignals
in einen kürzeren
Zeitschlitz erhöht.
Infolge dessen muss die Information bei einer entsprechend schnelleren Bitrate übertragen
werden, was den Betrag des belegten Spektrums proportional erhöht.
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Bei
FDMA oder TDMA Systemen oder bei einem hybriden FDMA/TDMA System
besteht das Ziel darin sicherzustellen, dass zwei sich potentiell
störende
Signale nicht die gleiche Frequenz zu der gleichen Zeit belegen.
Im Gegensatz dazu erlaubt CDMA eine Überlappung von Signalen sowie
in der Zeit als auch in der Frequenz. Somit verwenden sämtliche CDMA
Signale gemeinsam das gleiche Frequenzspektrum. Entweder in der
Frequenz- oder in der Zeitdomäne
erscheinen die Mehrfachzugriffssignale aufeinander zu sein.
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Im
Prinzip wird der zu übertragende
Informationsdatenstrom zunächst
codiert oder gespreizt und dann mit einer langen PN-Sequenz oder
einer kürzeren
Verscramblungssequenz kombiniert. In dem letzteren Fall werden die
Verscramblungssequenzen von Zelle zu Zelle geplant, so dass benachbarte
Zellen unterschiedliche Verscramblungssequenzen oder Verscramblungsmasken
verwenden. Der Informationsdatenstrom und die PN-Sequenz oder die
Verscramblungssequenz können
die gleichen oder unterschiedlichen Bitraten aufweisen. Der Informationsdatenstrom
und die PN-Sequenz oder die Verscramblungssequenz werden durch Multiplizieren
der zwei Bitströme
zusammen kombiniert. Jedem Informationsdatenstrom oder Kanal wird
ein einzigartiger Spreizungscode zugeordnet. Eine Vielzahl von codierten
Informationssignalen werden auf Funkfrequenz-Trägerwellen übertragen und gemeinsam als ein
zusammengesetztes Signal an einem Empfänger empfangen. Jedes der codierten
Signale überlappt mit
sämtlichen
anderen codierten Signalen sowie mit rausch-bezogenen Signalen sowohl
in der Frequenz als auch in der Zeit. Durch Korrelieren des zusammengesetzten
Signals mit einem der einzigartigen Codes wird ein entsprechendes
Informationssignal isoliert und decodiert.
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Es
gibt eine Anzahl von Vorteilen im Zusammenhang mit CDMA Kommunikationstechniken.
Man sagt voraus, dass die Kapazitätsgrenzen von zellularen Systemen
auf CDMA Basis bis zu 20 Mal von denjenigen einer existierenden
analogen Technologie sind, und zwar als Folge der Eigenschaften
eines Breitband-CDMA-Systems, wie beispielsweise einer verbesserten
Codierungsverstärkungs/Modulations-Dichte, einer Sprachaktivierungs-Freischaltung, einer
Sektorisierung und Wiederverwendung des gleichen Spektrums in jeder
Zelle. Eine CDMA Übertragung
von Sprache durch einen Decoder mit einer hohen Bitrate stellt eine
hervorragende realistische Sprachqualität bereit. CDMA bietet auch
variabel Datenraten an, was ermöglicht,
dass zahlreiche unterschiedliche Abstufungen der Sprachqualität angeboten
werden. Das verscrambelte Signalformat von CDMA beseitigt vollständig das
Nebensprechen und es ist sehr schwierig und kostenaufwendig Anrufe
abzuhören
oder zu verfolgen, wobei eine größere Geheimhaltung
für Anrufer
und eine größere Immunität gegenüber einem
Betrug zur Zeit der Luftübertragung
sichergestellt wird.
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Trotz
der zahlreichen Vorteile, die von CDMA bereitgestellt werden, können Probleme
auftreten, wenn das CDMA System Zellen mit unterschiedlicher Größe enthält, die
unterschiedliche Leistungspegel aufweisen. Ein Problem ist, wie
Frequenzen zwischen den unterschiedlichen Typen von Zellen zuzuordnen sind.
Während
dieses Problem einfach in traditionellen FDMA oder TDMA Systemen
behandelt werden kann, ist das Problem in CDMA Systemen relativ
schwerwiegend, weil sämtliche
Frequenzen überall
in dem System verwendet werden. Dieses Problem tritt zum Beispiel
auf, wenn Mikrozellen innerhalb von Regenschirmzellen (überdeckenden
Zellen) und an dem Übergang
zwischen Stadtgebieten und ländlichen
Gebieten, wo Zellen mit unterschiedlicher Größe verwendet werden, verwendet
werden. Das allgemeine Problem besteht darin, dass die Uplink (von
der Mobilstation zu der Basisstation) und Downlink (von der Basisstation
zu der Mobilstation) Handoff-Punkte (Übergabepunkte) nicht an dem
gleichen Ort angeordnet sind. Der Downlink-Handoff-Punkt ist näher zu der
Mikrozelle angeordnet als der Uplink-Handoff-Punkt.
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Aus
der
US 5099493 ist in
einem DS-CDMA System bereits ein Empfänger bekannt, um Direktsequenz-Spreizspektrum-Codeteilungs-Vielfachzugriff-Signale
(Direct Sequence Spread Spectrum Code Division Multiple Access)
Signale zu erfassen. Die Signale werden durch Abschätzen von
Signalwellenformen erfasst. Dieses System ist vorgesehen, um Signale
von Sendern zu erfassen, die in stark unterschiedlichen Abständen von
dem Empfänger
angeordnet sind, und um das so genannte Problem am Nahen/Weitenende
(Near/Far-End Problem) zu lösen.
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Die
US 5101501 betrifft ein
CDMA System, bei dem ein Handoff mit Hilfe von Pilotsignalen gesteuert
wird. In diesem System werden die Basisstationen nicht in getrennte
Gruppen von Basisstationen auf Grundlage von ihren Sendeleistungspegeln
unterteilt, wobei jeder Gruppe von Basisstationen ein Satz von Frequenzen
zugewiesen wird, um darauf zu senden, und wobei Basisstationen von
unterschiedlichen Gruppen Frequenzen für eine Verkehrskommunikation
nicht teilen.
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1 zeigt
ein typisches Szenarium der Verwendung von Mikrozellen innerhalb
von Regenschirm-Zellen. Eine Regenschirm-Zelle 10 enthält eine
Basisstation 12 und eine Vielzahl von Mikrozellen 14.
Jede Mikrozelle 14 enthält
eine Basisstation 16. In diesem Beispiel ist eine Mobilstation 18 in
der Nähe
der Regenschirm-Basisstation 12 angeordnet, ist aber in
einer Mikrozelle 14 angeordnet. Die Basisstation für eine Regenschirm-Zelle 10 arbeitet
im Allgemeinen bei einem Leistungspegel, der viel höher als
der Leistungspegel ist, der für
Basisstationen einer Mikrozelle verwendet wird. Da die Basisstation
in der Mikrozelle 14 angeordnet und in Kommunikation mit
der Basisstation 16 ist, können die Signale mit hoher
Leistung von der Regenschirm-Basisstation 12 den die Kommunikationen
zwischen der Mobilstation 18 und der Mikrozellen-Basisstation 16 stören. Da
die Regenschirm-Basisstation bei einem hohen Leistungspegel arbeitet,
können
die Störungssignale leicht
10–20
Dezibel über
dem Kommunikationssignal zwischen der Mobilstation und der Mikrozellen-Basisstation
sein. Sogar dann, wenn die Verarbeitungsverstärkung des CDMA Systems groß genug
ist, um derartige Störungssignale
zu behandeln, wird die Kapazität
des Systems verringert werden. Wenn ferner die Mobilstation 18 sich
mit der Regenschirm-Zellen-Basisstation 12 verbinden würde, müsste die
Mobilstation 18 ihre Leistung erhöhen, die dann die Mikrozellen-Basisstation 16 in
der Uplink-Richtung stören
würde.
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2 illustriert
die Probleme, die um die Grenze zwischen kleinen (städtischen)
und großen (ländlichen)
Zellen auftreten können.
Eine ländliche Zelle 20 enthält eine
Basisstation 22 und eine Stadtzelle 24 enthält eine
Basisstation 26. In diesem Beispiel ist eine Mobilstation
in der Nähe
der Grenze zwischen der Stadtzelle 24 und der ländlichen
Zelle 20 angeordnet. Wenn sich die Mobilstation in die Richtung
des Pfeils A bewegt stellt sich die Frage zu welcher Zelle die Mobilstation
gehört.
Wenn die Mobilstation mit der Basisstation 26 in der Stadtzelle 24 verbunden
ist, dann kann die Mobilstation eine Störung von den Signalen von der
ländlichen
Basisstation 22 erfahren, und zwar als Folge der unterschiedlichen
Leistungspegel zwischen den ländlichen
und städtischen
Basisstationen. Wenn die Mobilstation mit der Basisstation 22 in
der ländlichen
Zelle 20 verbunden ist, dann wird die Mobilstation die
Leistung von ihrer eigenen Übertragung
erhöhen
müssen,
um adäquat
mit der Basisstation 22 zu kommunizieren. Infolge dessen
wird die Übertragung
der Mobilstation den Empfang der Basisstation 26 stören, da
die Mobilstation näher
zu dieser Basisstation ist.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
voranstehend erwähnten
Probleme können
durch Zuordnen von unterschiedlichen Frequenzen oder Setzen von
Frequenzen an Zellen mit unterschiedlichen Übertragungsleistungspegeln
beseitigt werden. Zum Beispiel können
Regenschirmzellen einem Satz von Frequenzen, um darauf zu arbeiten, zugewiesen
werden, während
Mikrozellen einem anderen Satz von Frequenzen, um darauf zu arbeiten, zugewiesen
werden. Diese Sätze
von Frequenzen sollten ausreichend getrennt sein, um eine Störung zwischen
unterschiedlichen Zellen zu verringern.
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Um
dem Kommunikationssystem die Verwendung eines durch die Mobilstation
unterstützten Handoffs
(Mobile Assisted Handoff; MAHO) zu erlauben, übertragen sämtliche Basisstationen in dem Kommunikationssystem
eine bekannte Pilotsequenz. Jede Basisstation überträgt eine Pilotsequenz auf jeder
der Frequenzen, die der bestimmten Basisstation zugewiesen sind,
sowie auf einigen oder sämtlichen anderen
Frequenzen, die in dem Kommunikationssystem verwendet werden und
die nicht dieser bestimmten Basisstation zugewiesen sind.
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Da
die Pilotsequenz-Signale an jeder Mobilstation zusammen mit anderen
Signalen empfangen werden, die eine Sprachinformation und Rauschen enthalten,
wird jede Mobilstation einen subtraktiven Demodulationsprozess verwenden
müssen,
um durch sämtliche
der empfangenen Signale durchzusortieren, um die gewünschten
Signale zu erfassen und zu decodieren. Unter Verwendung des subtraktiven
Demodulationsprozesses kann eine Mobilstation die Informationssignale,
die gerade an diese bestimmte Mobilstation gesendet werden, erfassen
und decodieren und außerdem
kann sie Pilotsequenz-Signale erfassen und decodieren, die von verschiedenen
Basisstationen in dem Kommunikationssystem ausgesendet werden. Infolge
dessen kann jede Mobilstation ihr eigenes Signal auf ihrer eigenen
Frequenz empfangen und gleichzeitig die Signalstärke der benachbarten Basisstationen
durch Messen der Signalstärke
von deren Pilotsequenzen, die gerade auf der gleichen Frequenz ausgesendet
werden, messen.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
vorliegende Erfindung wird nun mit näheren Einzelheiten unter Bezugnahme
auf die bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung beschrieben, die nur beispielhaft angeführt und
in den beiliegenden Zeichnungen gezeigt sind. In den Zeichnungen
zeigen:
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1 eine
typische Anordnung von Mikrozellen in Regenschirm-Zellen;
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2 ein
Kommunikationssystem mit ländlichen
und städtischen
Zellen;
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3 eine
Basisstation mit einem Pilotsequenz-Signal;
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4 eine
Serie von Graphen, die darstellen, wie CDMA Signale erzeugt werden;
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5 und 6 eine
Serie von Graphen zur Darstellung, wie CDMA Signale decodiert werden;
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7 eine
Serie von Graphen, die eine CDMA subtraktive Demodulation in Übereinstimmung
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellen; und
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8 ein
Blockdiagramm eines CDMA Kommunikationssystems eines Typs, bei dem
die vorliegende Erfindung in vorteilhafter Weise verwendet werden
kann.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Während die
folgende Beschreibung in dem Kontext von zellularen Kommunikationssystemen
ist, bei denen tragbare oder mobile Funktelefone und/oder Eigenkommunikationsnetze
beteiligt sind, werden Durchschnittsfachleute in dem technischen Gebiet
erkennen, dass die vorliegende Erfindung auf andere Kommunikationsanwendungen
angewendet werden kann.
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Gemäß des Stammpatents
EP 0 590 135 B1 werden
unterschiedliche Sätze
von Frequenzen Zellen mit unterschiedlichen Übertragungsleistungspegeln
zugewiesen. Zum Beispiel kann Mikrozellen ein Satz von Frequenzen
zugewiesen werden, der sich von dem Satz von Frequenzen unterscheidet,
die einer Regenschirmzelle zugewiesen sind. Ferner sollten die unterschiedlichen
Sätze von
Frequenzen durch ein Frequenzband betrennt sein, welches groß genug
ist, um eine Störung
in dem System zu verringern. Infolge dessen wird die Störung, die
durch die starken Signale verursacht wird, die in der Regenschirmzelle
erzeugt werden, verringert werden, da die Mobilstationen, die in
den Mikrozellen innerhalb der Regenschirmzelle arbeiten, Frequenzen
verwenden werden, die sich von den Frequenzen unterscheiden, die
von der Regenschirmzelle verwendet werden.
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Jedoch
hat die Zuweisung von unterschiedlichen Sätzen von Frequenzen an unterschiedliche
Typen von Zellen einen Nachteil dahingehend, dass ein durch die
Mobilstation unterstütztes
Handoff (Mobile Assisted Handoff; MAHO) nicht möglich ist. Ein Mobile Assisted
Handoff ist nicht möglich,
da Mobilstationen kontinuierlich Signale auf ihrer eigenen Frequenz
empfangen, so dass sie nicht in der Lage sind gleichzeitig die Signalstärke von
anderen Signalen auf anderen Frequenzen zu messen.
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Gemäß des Stammpatents
EP 0 590 135 B1 senden
sämtliche
Basisstationen in dem Kommunikationssystem eine bekannte Pilotsequenz.
Die Pilotsequenz wird genauso wie irgendein anderer Typ von Kanal,
d.h. ein Verkehrskanal, übertragen.
Jedoch kann die Pilotsequenz keinerlei Information oder eine begrenzte
Menge von Informationen enthalten. Die Pilotsequenz wird nur in
der Downlink-Richtung übertragen.
Jede Basisstation überträgt eine
Pilotsequenz auf jeder der Frequenzen, die dieser bestimmten Basisstation
zugewiesen sind, sowie auf einigen oder sämtlichen der Frequenzen, die
dieser bestimmten Basisstation nicht zugewiesen sind. Wenn die Frequenz
der Basisstation zugewiesen worden ist, wird die entsprechende Pilotsequenz
mit geringfügig
mehr Leistung als die anderen Kanäle in der Basisstation übertragen.
Wenn die Basisstation eine Pilotsequenz auf einer Frequenz überträgt, die
nicht der Basisstation zugewiesen worden ist, überträgt die Basisstation die Pilotsequenz
lediglich bei einem Leistungspegel, der ähnlich zu anderen Pilotsequenzen
ist.
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Wie
in 3 darstellt werden jeder Verkehrskanal 31 und
eine Pilotsequenz 33 durch eine Multiplikation mit einer
einzigartigen PN-Sequenz 34 kombiniert. Die Verkehrskanäle und die
Pilotsequenz werden durch eine Addition im dem Addierer 35 kombiniert
und das sich ergebende Signal 36 wird in einem Modulator 37 moduliert
und in einem Verstärker 38 verstärkt und
danach von der Basisstation 30 durch die Antenne 39 übertragen.
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Da
die Pilotsequenz-Signale an jeder Mobilstation zusammen mit anderen
Signalen empfangen werden, die eine für die jeweilige Mobilstation
vorgesehene Sprachinformation und Rauschen enthalten, wird jede
Mobilstation einen Subtraktions-Demodulationsprozess verwenden müssen, um
durch sämtliche
der empfangenen Signale zu sortieren, um die gewünschten Signale zu erfassen
und zu decodieren. Infolge dessen kann jede Mobilstation ihr eigenes
Signal auf ihrer eigenen Frequenz empfangen und gleichzeitig die
Signalstärken
von sämtlichen
der benachbarten Basisstationen auf der gleichen Frequenz messen.
Ferner können
die gemessenen Signalstärken
in einem Speicher in der Mobilstation gespeichert und periodisch
aktualisiert werden. Infolge dessen kann jede Mobilstation die gespeicherte
Basisstations-Signalstärkeinformation
an ihre jeweiligen Basisstationen bei regelmäßigen Intervallen oder dann,
wenn eine Ausführung
davon während
eines Mobile Assisted Handoff angefordert wird, senden.
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Ein
beispielhaftes CDMA Kommunikationssystem mit einer subtraktiven
Demodulation ist in dem US Patent 5151919 und dem US Patent 5218619
offenbart. In dem vorliegenden System wird die Fähigkeit eine erhöhte Anzahl
von störenden
Signalen zu tolerieren, um dadurch eine Erhöhung der Systemkapazität zu erzielen,
durch die Verwendung eines subtraktiven Demodulationsprozesses bereitgestellt.
Allgemein gesagt arbeitet ein Empfänger in diesem Typ von System
nicht, um nur ein einzelnes gewünschtes
Signal bei der Anwesenheit einer großen Anzahl von Störungssignalen
zu decodieren. Anstelle davon werden eine Anzahl von empfangenen Signalen,
sowohl störende
als auch gewünschte, sukzessive
in der Reihenfolge von ihrer empfangenen Signalstärke decodiert,
wobei das stärkste
empfangene Signal zuerst decodiert wird. Nachdem sie decodiert sind,
wird jedes Störungssignal
aufgezeichnet und von dem empfangenen Signal subtrahiert, um dadurch
die Störung
zu verringern, die vorhanden ist, wenn das gewünschte Signal decodiert wird.
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Mit
diesem Ansatz werden eine größere Anzahl
von Signalen, die jeweils eine einzigartige PN-Sequenz oder einen einzigartigen Verscramblungscode
aufweisen, um eine Vorgehensweise bereitzustellen sie voneinander
zu unterscheiden, für eine Überlappung
zugelassen. In den folgenden Ausführungsformen können entweder
eine PN-Sequenz oder Verscramblungscodes verwendet werden. In einigen
Kommunikationssystemen weist jede Basisstation einen Satz von PN-Sequenz
oder Verscramblungscodes auf, die Mobilstationen zugewiesen sind, während in
anderen Systemen jede Mobilstation ihre eigene PN-Sequenz oder ihren
eigenen Verscramblungscode aufweist. Die Kapazität eines derartigen Systems
ist nicht durch theoretische Beschränkungen begrenzt, sondern durch
die Menge von Signalverarbeitungsressourcen, die verfügbar sind,
um eine Vielfalt von Signalen zu demodulieren.
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Eine
subtraktive Demodulation wird nun in Verbindung mit den Signalgraphen
beschrieben, die in den 4–6 bezeigt
sind und die beispielhafte Wellenformen in den Codierungs- und Decodierungsprozessen
angeben, die bei traditionellen CDMA Systemen beteiligt sind. Unter
Verwendung von diesen gleichen Wellenformbeispielen aus den 4–6 wird
das verbesserte Betriebsverhalten der vorliegenden Erfindung gegenüber einem
herkömmlichen
CDMA in 7 illustriert.
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Zwei
unterschiedliche Datenströme,
die in 4 als Signalgraphen (a) und (d) gezeigt sind, stellen
eine digitalisierte Information dar, die über zwei getrennte Kommunikationskanäle kommuniziert werden
soll. Das Signal 1 wird unter Verwendung einer hohen Bitrate, einem
digitalen Code, der für
das Signal 1 einzigartig ist, wie in dein Signalgraph (b) gezeigt,
moduliert. Für
die Zwecke der vorliegenden Erfindung bezieht sich der Ausdruck „Bit" auf eine Stelle des
Informationssignals. Der Ausdruck „Bitperiode" bezieht sich auf
die Zeitperioden zwischen dem Start und dem Ende des Bitsignals.
Der Ausdruck „Chip" bezieht sich auf
eine Stelle des Codierungssignals mit hoher Rate. Demzufolge bezieht
sich die Chipperiode auf die Zeitperiode zwischen dem Start und dem
Ende des Chipsignals. Natürlich
ist die Bitperiode viel größer als
die Chipperiode. Ergebnisse dieser Modulation, welches im Wesentlichen
das Produkt der zwei Signalwellenformen ist, ist in dem Signalgraph
(c) gezeigt. In einer Bool'schen
Notation ist die Modulation von zwei binären Wellenformen im Wesentlichen
eine Exklusiv-ODER-Verknüpfung.
Eine ähnliche
Reihe von Operationen wird für
das Signal 2 ausgeführt,
wie in den Signalgraphen (d)–(f)
gezeigt. In der Praxis werden natürlich viel mehr als zwei codierte
Informationssignale über
das Frequenzspektrum, welches für
zellulare Telefonkommunikationen verfügbar ist, gespreizt.
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Jedes
codierte Signal wird verwendet, um einen HF-Träger unter Verwendung von irgendeinem Typ
von Modulationstechnik, wie einer Quadraturphasenumtastung (Quadrature
Phase Shift Keying; QPSK) zu modulieren. Jeder modulierte Träger wird über eine
Luftschnittstelle übertragen.
An einem Funkempfänger,
beispielsweise einer zellularen Basisstation, werden sämtliche
Signale, die in der zugeordneten Frequenzbandbreite überlappen,
zusammen empfangen. Die individuell codierten Signale werden addiert,
wie in den Signalgraphen (a)–(c)
der 5 dargestellt, um eine zusammengesetzte Signalwellenform
zu bilden.
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Nach
der Demodulation des empfangenen Signals auf die geeignete Basisbandfrequenz
findet die Decodierung des zusammengesetzten Signals statt. Das
Signal 1 kann durch Multiplizieren des empfangenen zusammengesetzten
Signals in dem Signalgraph (c) mit dem ursprünglichen einzigartigen Code,
der ursprünglich
zum Modulieren des Signals 1 verwendet wurde, wie in dem Signalgraph
(d) gezeigt, decodiert oder entspreizt werden. Das sich ergebende
Signal wird analysiert, um die Polarität (hoch oder niedrig, +1 oder –1, „1" oder „0") von jeder Informationsbitperiode
des Signals zu entscheiden.
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Diese
Entscheidungen werden durchgeführt, indem
ein Mittelwert oder eine Mehrheitswahl der Chippolaritäten während einer
Bitperioden genommen wird. Derartige „Hartentscheidungs" Prozesse sind akzeptabel,
so lange wie keine Signaldoppeldeutigkeit vorhanden ist. Zum Beispiel
ist während der
ersten Bitperiode in dem Signalgraph (f) der durchschnittliche Chipwert
+0,67, was bereits eine Bitpolarität +1 anzeigt. In ähnlicher
Weise ist in der dritten Bitperiode der Durchschnitt +0,80, was
eine Bitpolarität
von +1 anzeigt. Immer dann, wenn jedoch der Mittelwert Null ist,
wie in der zweiten Bitperiode dargestellt, stellt die Mehrheitswahl
oder der Mittelungstest keinen akzeptablen Polaritätswert bereit.
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In
mehrdeutigen Situationen muss ein „Softentscheidungs" Prozess verwendet
werden, um die Bitpolarität
zu bestimmen. Zum Beispiel kann eine analoge Spannung proportional
zu dem empfangenen Signal nach einer Entspreizung über der
Anzahl von Chipperioden entsprechend zu einem einzelnen Informationsbit
integriert werden. Das Vorzeichen oder die Polarität des Nettointegrationsergebnisses zeigt
an, dass der Bitwert einen +1 oder –1 ist.
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Die
Decodierung des Signals 2 ist, ähnlich wie
diejenige des Signals 1, in den Signalgraphen (a)–(d) der 6 dargestellt.
Nach einer Decodierung gibt es keine mehrdeutigen Bitpolaritäts-Situationen.
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Theoretisch
kann dieses Decodierungsverfahren verwendet werden, um jedes Signal
zu decodieren, das das zusammengesetzte Signal bildet. Idealerweise
wird der Beitrag von unerwünschten, störenden Signalen
minimiert. wenn die digitalen Spreizungscodes orthogonal zu den
unerwünschten Signalen
sind. Zwei Codes sind orthogonal, wenn exakt eine Hälfte von
deren Bits unterschiedlich sind. Unglücklicherweise existieren nur
eine bestimmte Anzahl von orthogonalen Codes für eine endliche Wortlänge. Ein
anderes Problem ist, dass eine Orthogonalität nur dann aufrechterhalten
werden kann, wenn die relative Zeitausrichtung zwischen den Signalen
strikt beibehalten wird. Bei einer konstanten Bewegung, wie beispielsweise
in zellularen Systemen, ist die Erreichung einer Zeitausrichtung
schwierig.
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Wenn
eine Codeorthogonalität
nicht garantiert werden kann, können
sich Rausch-bezogene Signale mit den tatsächlichen Bitsequenzen stören, die durch
unterschiedliche Codegeneratoren, z.B. das Mobiltelefon, erzeugt
werden. Im Vergleich mit den ursprünglich codierten Signalenergien
ist jedoch die Energie der Rauschsignale gewöhnlicherweise klein. Der Ausdruck „Verarbeitungsverstärkung" wird oft verwendet,
um relative Signalenergien zu vergleichen. Die Verarbeitungsverstärkung ist
als das Verhältnis
der Spreizungs- oder Codierungschiprate zu der zugrunde liegenden
Informationsbitrate definiert. Somit ist die Verarbeitungsverstärkung im
Wesentlichen das Spreizungsverhältnis.
Zum Beispiel weist eine ein Kilobit pro Sekunde Informationsrate,
die durch ein Megabit pro Sekunde Codierungssignal moduliert wird,
eine Verarbeitungsverstärkung
von 1000:1 auf.
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Große Verarbeitungsverstärkungen
verringern die Chance, dass Rauschsignale die unter Verwendung von
nicht korrelierten Codes moduliert werden, decodiert werden. Zum
Beispiel wird die Verarbeitungsverstärkung in militärischer
Hinsicht verwendet, um die Unterdrückung von feindlichen Störsignalen
zu messen. In anderen Umgebungen, beispielsweise zellularen Systemen,
bezieht sich die Verarbeitungsverstärkung auf die Unterdrückung von
anderen freundlichen Signalen, die auf dem Kommunikationskanal mit
einem nicht korrelierten Code vorhanden sind. In dem Kontext der
vorliegenden Erfindung umfasst Rauschen sowohl feindliche als auch
freundliche Signale. In der Tat wird ein Rauschen als irgendwelche
anderen Signale, außer
dem Signal von Interesse, d.h. dem Signal, welches decodiert werden soll,
definiert. Wenn, bei einer Erweiterung des voranstehend beschriebenen
Beispiels, ein Signal-zu-Störungsverhältnis von
10:1 benötigt
wird und die Verarbeitungsverstärkung
1000:1 ist, dann weisen herkömmliche
CDMA Systeme die Kapazität
auf, um bis zu 101 Signalen zu erlauben den gleichen Kanal zu teilen.
Während
einer Decodierung werden 100 der 101 Signale auf ein 1/1000-stel
von ihrer ursprünglichen
Störleistung
unterdrückt.
Die Gesamtstörungsenergie
ist somit 100/1000 oder 1/10, im Vergleich mit der gewünschten
Informationssignalenergie von eins (1). Wenn die Informationssignalenergie
zehnmal so groß wie
die Störungsenergie
ist, dann kann das Informationssignal genau korreliert werden.
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Zusammen
mit dem erforderlichen Signal-zu-Störungs-Verhältnis bestimmt die Verarbeitungsverstärkung die
Anzahl von zugelassenen überlappenden
Signalen in den gleichen Kanal. Das dies noch die herkömmliche
Ansicht über
die Kapazitätsgrenzen
von CDMA Systemen ist, lässt
sich aus einem Studium zum Beispiel „On the Capacity of a Cellular
CDMA System" von
Gilhousen, Jacobs, Viterbi, Weaver and Wheatly, IEEE Transactions
on Vehicular Technology, Mai 1991, ablesen.
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Im
Gegensatz zu der herkömmlichen
Ansicht ist ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung die
Erkennung, dass die Unterdrückung
von freundlichen CDMA Signalen durch die Verarbeitungsverstärkung des
Spreizspektrumdemodulators nicht begrenzt ist, wie der Fall mit
der Unterdrückung
von Störsignalen
des militärischen
Typs ist. Ein großer prozentualer
Anteil der anderen Signale, die in einem empfangenen zusammengesetzten
Signal enthalten sind. sind nicht unbekannte Störsignale oder Umgebungsrauschen,
welches nicht korreliert worden kann. Anstelle davon ist der größte Teil
des Rauschens, wie voranstehend definiert, bekannt und wird verwendet,
um eine Decodierung des Signals von Interesse zu erleichtern. Die
Tatsache, dass die meisten von diesen Rauschsignalen bekannt sind,
genauso wie ihre entsprechenden Codes, wird in der vorliegenden
Erfindung verwendet, um die Systemkapazität und die Genauigkeit des Signaldecodierungsprozesses
zu verbessern.
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Anstelle
jedes Informationssignals aus dem zusammengesetzten Signal einfach
zu decodieren entfernt die vorliegende Erfindung auch jedes Informationssignal
von dem zusammengesetzten Signal, nachdem es decodiert worden ist.
Diejenigen Signale, die verbleiben, werden nur aus dem Rest des
zusammengesetzten Signals decodiert. Demzufolge stört sich
die Existenz von Signalübertragungen
in dem Kommunikationskanal von den bereits decodierten Signalen
nicht mit der Decodierung von anderen Signalen. Wenn zum Beispiel
in 7 das Signal 2 bereits decodiert worden ist, wie
in dem Signalgraph (a) gezeigt, kann die codierte Form des Signals
2 wie in den Signalgraphen (b) und (c) gezeigt konstruiert werden
und von dem zusammengesetzten Signal in dem Signalgraph (d) subtrahiert
werden, um ein codiertes Signal 1 in dem Signalgraph (e) zu belassen. Das
Signal 1 wird leicht durch Multiplizieren des codierten Signals
1 mit einem Code 1 neu eingefangen, um das Signal 1 zu rekonstruieren.
Es ist signifikant, dass dann, wenn das herkömmliche CDMA Decodierungsverfahren
nicht in der Lage gewesen wäre
zu bestimmen, ob die Polarität
des Informationsbits in der zweiten Bitperiode des Signals 1 eine
+1 oder eine –1
in dem Signalgraph (f) der 5 war, das
Decodierungsverfahren der vorliegenden Erfindung effektiv auf diese
Mehrdeutigkeit auflösen
würde,
indem einfach das Signal 2 von dem zusammengesetzten Signal entfernt
wird.
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Um
ein Verständnis
der Erfindung weiter zu vereinfachen wird ein spezifisches Beispiel
beschrieben, bei dem eine Walsh-Hadamard (128, 7) Blockcodierungstechnik
verwendet wird, um eine Kanalcodierung und Spreizung in einer CDMA
Modulation bereitzustellen. Jedoch sind die Prinzipien in der vorliegenden
Erfindung nicht auf Kommunikationssysteme beschränkt, die diese Codierungstechnik
verwenden. Zusätzlich
können
die Blockcodes entweder orthogonale Blockcodes oder bi-orthogonale
Blockcodes sein.
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Eine
Gesamtansicht eines CDMA gestützten zellularen
Funktelefonsystems des Typs, indem die vorliegende Erfindung implementiert
werden kann, ist in einer Blockdiagrammform in 8 gezeigt.
In dieser Figur sind ein Sender 51 und ein Empfänger 52 in einer
Blockform dargestellt. Der Sender könnte an einer Basisstation
des Funktelefon-Kommunikationssystems vorhanden sein und der Empfänger könnte z.B.
in einer mobilen Einheit angeordnet sein. Alternativ könnte der
Sender derjenige einer mobilen Einheit sein, wobei der Empfänger in
einer Basisstation angeordnet ist.
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Bezugnehmend
auf 8 wird Sprache, die durch einen der Teilnehmer
an einer Telefonkonversation erzeugt wird, als ein Eingangssignal
an einem Sprachcodierer 54 bereitgestellt. Der Sprachcodierer kann
ein herkömmlicher
Codierer sein, der das Sprachsignal in ein digitales Signal umwandelt,
und zwar in Übereinstimmung
mit irgendwelchen der altbekannten Typen von Sprachdigitalisierungsalgorithmen.
Beispiele von derartigen Algorithmen, die in herkömmlichen
Sprachcodierern verwendetet werden, umfassen eine kontinuierliche
variable Steigungs-Delta-Modulation (Continuously Variable Slope
Delta Modulation; CVSD) eine adaptive Delta-Impuls-Code-Modulation
(Adaptive Delta Pulse Code Modulation; ADPCM), eine Rest-erregte-lineare-Prädiktionscodierung (Residual
Excited Linear Predictive Coding; RELP) und eine Vektorcodebuch-erregte-lineare-Prädiktionscodierung
(Vector Code Book Excited Linear Predictive Coding; VSELP). Der
bestimmte Typ Encoder, der in einer gegebenen Anwendung gewählt wird,
wird von verschiedenen Konstruktionsfaktoren abhängen, wie beispielsweise dem
gewünschten
Kompromiss zwischen der Bitratenverringerung und den Codiererkosten
und der Komplexität.
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Nachdem
das Sprachsignal in dem Codierer 54 digitalisiert worden
ist wird dessen Bandbreite ausgedehnt, um ein CDMA Signal in einem
CDMA Codierer 55 zu erzeugen. In der bevorzugten Implementierung
wird die CDMA Bandbreitenerweiterung mit Hilfe einer (128, 7) orthogonalen
Blockcodierung erhalten. Zusätzlich
zu der Blockcodierung des digitalisierten Sprachsignals mit den
Blockcodes verscrambelt die Verscramblungseinrichtung 56 auch das
codierte Signal mit einem einzigartigen Chiffrierungscode, der der
Kommunikation zugewiesen ist. Die Verschlüsselung kann zum Beispiel aus
der Bitweisenmodulo-2 Addition eines einzigartigen Verscramblungscodes
zu dem Blockcode vor einer Übertragung
bestehen. Die Auswahl und die Verwendung von Verscramblungscodes
ist in dem US Patent 5353352 beschrieben. Da sämtliche Kommunikationen vorzugsweise
die gleichen Blockcodes verwenden, um deren Bandbreite auszuweiten,
erlaubt die Verscramblung der codierten Signale mit den einzigartigen
Chiffriercodes, dass die verschiedenen Kommunikationen voneinander
unterschieden werden, wie mit näheren
Einzelheiten in den vorher erwähnten
gleichzeitig anhängigen
Patentanmeldungen beschrieben, die durch Bezugnahme Teil der vorliegenden
Anmeldung sind.
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Sobald
das digitalisierte Sprachsignal mit dem Blockcode codiert und mit
dem Chiffrierungscode verscrambelt worden ist, wird es an einem
Parallel-zu-Serien-Wandler 58 übergeben. In dieser Schaltung
wird das verscrambelte Sprachsignal in ein serielles Signal umgewandelt,
welches an einem Modulator 60 bereitgestellt wird. Ein
Trägersignal
bei einer geeigneten Trägerfrequenz
Fc wird mit dem verscrambelten Sprachsignalen
moduliert, in einem Verstärker 62 verstärkt und
an den Empfänger 52 des anderen
Teilnehmers an der Konversation übertragen.
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In
dem Empfänger 52,
der zum Beispiel in einer mobilen Einheit angeordnet sein kann,
wird das empfangene Signal empfangen, demoduliert, um die Trägerfrequenz
in einem Demodulator 64 zu entfernen, und in eine parallele
Form in einem Serien-zu-Parallel-Wandler 66 zurückgewandelt.
Das empfangene Signal wird dann in einer Entscramblungsschaltung 68 entscrambelt,
die mit dem gleichen Chiffrierungscode versehen wird, der verwendet
wurde, um das Signal zu verscrambeln. Sobald das Signal entscrambelt
worden ist wird es an einer Fast Walsh Transformations-Schaltung 70 bereitgestellt,
die bestimmt, welches der möglichen
128 Bit orthogonalen Codewörter übertragen
wurde. Im Betrieb berechnet die Fast Walsh Transformations-Schaltung 70 gleichzeitig
die Korrelation des empfangenen Codeworts mit jedem möglichen
Codewort und bestimmt das Codewort mit der höchsten Korrelation. Diese Bestimmung
wird in einer Signalunterscheidungsschaltung 72 ausgeführt. Eine
Fast Walsh Transformations- und eine Maximum Search Schaltung sind
in dem gleichzeitig anhängigen
US Patent 5357454 für
einen „Fast
Walsh Transform Processor" und
in dem US Patent 5187675 für
eine „Maximum
Search Circuit" beschrieben.
Das aus dem Signal diskriminierte Codewort wird dann an einer Sprachdecoderschaltung 74 bereitgestellt,
die es in das ursprüngliche
Sprachsignal umwandelt. Die Signalstärke des empfangenen Signals
kann in einem Speicher 76 gespeichert werden.
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Zusätzlich zum
Empfang des gewünschten Signals
der Konversation von Interesse, empfängt der Empfänger 52 auch
Signale, die sich auf andere Konversationen beziehen. Zum Beispiel
empfängt der
Empfänger
in einer mobilen Einheit eine Signalaussendung von der Basisstation
an sämtlich
der anderen Mobileinheiten innerhalb der Zelle. Im Wesentlichen
bilden diese anderen empfangenen Signale Rauschen relativ zu dem
gewünschten
Signal, welches sich auf die Konversation von Interesse bezieht. In
einer bevorzugten Implementierung der vorliegenden Erfindung werden
diese anderen Signale ebenfalls individuell entscrambelt und decodiert
und zwar in der Reihenfolge von ihrer Empfangssignalstärke. Sobald
jedes von diesen „Rausch" Signalen bestimmt
ist, kann es dann erneut verscrambelt und von dem ursprünglichen
empfangenen Signal subtrahiert werden, um dadurch ein Störungsrauschen
zu verringern und eine Decodierung des gewünschten Signals zu erleichtern.
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Als
ein anderes Merkmal der Erfindung versucht ein Empfänger nur
das empfangene Signal für eine
begrenzte Anzahl von sequenziellen Codewörtern zu demodulieren. Wenn
nicht beobachtet wird, dass das Signal eine minimale Korrelationsschwelle mit
einer gültigen
Codesequenz erreicht, werden keine weiteren Versuche einer Demodulation
dieses Signals für
den Rest der vorgegebenen Zeit entsprechend zu dem Sprachrahmen
ausgeführt.
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Ferner
werden in Übereinstimmung
mit diesem Aspekt der Erfindung der Sprachrahmenstruktur einer Vielfalt
von sich überlappenden
CDMA Signalen, die von der gleichen Basisstation übertragen werden,
eine feste relative Zeitausrichtung gegeben. Diese Ausrichtung der
Signale erlaubt mobilen Empfängern,
die wenigstens ein Signal decodieren, genau abzuschätzen, wann
andere Signale, die vorübergehend
durch eine diskontinuierliche Übertragung stumm
geschaltet worden sind, wahrscheinlich eine Übertragung wieder aufnehmen.
Somit kann eine Empfängersynchronisations-
und Rahmenausrichtungs-Information aus anderen Signalen als dem spezifischen
Informationssignal, welches speziell für den Empfänger vorgesehen ist, erhalten
werden.
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Vorzugsweise
verwendet die Zeitausrichtungsbeziehung ein festes Muster eines
Versatzes zwischen den unterschiedlichen Signalen. Diese Anordnung
bewirkt, dass die Zeiten, zu denen die unterschiedlichen Signale
eine Übertragung
wieder aufnehmen, gleichmäßig über die
Periode eines Sprachrahmens verteilt sind. Somit werden die Zeiten,
zu denen der Empfänger
versucht die verschiedenen Signale zu demodulieren, ebenfalls verteilt,
um unerwünschte
Spitzen in der Empfängeraktivität zu vermeiden.
Gemäß eines
weiteren Merkmals der Erfindung wird das Sprachrahmen-Timing für Übertragungen
von einem mobilen Sender aus dem Sprachrahmen-Timing von Signalen,
die er von der Basisstation empfängt,
abgeleitet. Somit wird das relative Timing, das die Basisstation
für Übertragungen
von den Basisstationen an den mobilen Empfänger wählt, in dem relativen Rahmentiming
zwischen mobilen Stations-Übertragungen
an die Basisstation reflektiert, wodurch der Basisstationsempfänger mit
den Vorteilen einer abgestuften Rahmenausrichtung versehen wird.
Ein beispielhaftes CDMA Kommunikationssystem ist in dem US Patent
5353352 offenbart.
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Wenn
ein Empfänger
ein Signal von einem Sender empfängt,
das anzeigt, dass der Sender gerade dabei ist eine Übertragung
für den
Rest des Sprachrahmens zu unterbrechen, dann kann der Empfänger Frequenzen ändern, um
die Signalstärke von
benachbarten Basisstationen zu messen. Die gemessenen Signalstärken können in
einem Speicher der Mobilstation gespeichert und periodisch aktualisiert
werden. Infolge dessen kann jede Mobilstation die gespeicherte Basisstations-Signalstärkeninformation
an ihre jeweiligen Basisstationen senden, wenn sie aufgefordert
wird, dies während
eines Mobile Assisted Handoffs durchzuführen.
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Während die
Erfindung in ihren bevorzugten Ausführungsformen beschrieben worden
ist, sei darauf hingewiesen, dass die Wortwahl, die verwendet worden
ist, eine Wortwahl für
die Beschreibung und nicht für
eine Beschränkung
ist, und dass Änderungen
innerhalb des Umfangs der vorliegenden Ansprüche ohne Abweichen von dem
echten Umfang der Erfindung und deren weiteren Aspekten durchgeführt werden
können.